Geri Dön

Implementation of novel carbon-based nanomaterials for high-performance gas sensors

Yüksek performanslı gaz sensörlerinde yenilikçi karbon bazlı nanomalzemelerin uygulanması

PDF İndir

  1. Tez No: 856469
  2. Yazar: MOHAMAD ANAS HEJAZI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Çevresel kirlilik, küresel ölçekte endüstriyel faaliyetlerin hızla artmasından kaynaklanan kritik bir sorun olarak ortaya çıkmıştır. Toksik gaz emisyonları, küresel ısınma ve asit yağmuru gibi birçok iklim sorununa başlıca katkı sağlayan faktörler arasında yer alarak, çevre ve halk sağlığına kısa ve uzun vadede tehdit oluşturmaktadır. Bu tür kirleticilerin hassas tespiti, çevre yönetimi, savunma, sağlık ve endüstri gibi çeşitli sektörlerde büyük önem taşımaktadır. Yüksek performanslı gaz sensörlerinin geliştirilmesine yönelik önemli araştırma çabaları, düşük gaz konsantrasyonlarını doğru bir şekilde tespit edebilen, güçlü algılama özelliklerine ve dayanıklılığa sahip sensörlerin ilerletilmesine odaklanmıştır. Karbon nanomalzemeler, birçok uygulama için büyük ilgi görmüştür. Bu malzemelerin olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikleri, çeşitli karbon temelli nanomalzemelerin potansiyelini değerlendirmek amacıyla geniş çaplı araştırmalara konu olmuştur; örneğin fullerenler, karbon kuantum noktaları, nanodiamondlar, karbon nanotüpler ve grafen gibi gaz algılama malzemeleri olarak. Bu tez, yeni karbon malzemelerinin potansiyelini ve gaz algılama uygulamalarındaki kullanımlarını keşfetmeyi amaçlamaktadır. Tez, beş bölümden oluşmakta olup şu şekilde düzenlenmiştir: Birinci bölüm, karbon nanomalzemelerin ve kompozitlerinin gaz algılama cihazlarında son dönemdeki ilerlemelerini tartışan literatürde yayınlanmış ve basılacak kapsamlı bir derleme makalesini içermektedir. Bu bölüm, bu sensörlerin algılama mekanizmasını, tasarımını ve hazırlama tekniklerini tanıtmakta ve karbon temelli nano yapıların diğer nanomalzemelerle modifikasyonunu ve algılama performansı üzerindeki etkilerini ele almaktadır. İkinci, üçüncü ve dördüncü bölümler, tez araştırmasında elde edilen araştırma bulgularını içeren yayınlanmış ve basılacak makaleleri içermektedir. Bu üç bölümde rapor edilen araştırmalar ve ilgili bulgular aşağıda özetlenmiştir. Son bölüm, tamamlayıcı bir sonuç sunmakta, mevcut zorluklara değinmekte ve gelecekteki araştırmalar için ilham verici öneriler sunmaktadır. İkinci bölümde, kuantum noktaları ile güçlendirilmiş karbon nanotüpler (CNT'ler) ve grafen nano-plakaları (GNP'ler) içeren yeni bir kompozitin sentezi rapor edilmiş ve bu kompozitin oda sıcaklığında çeşitli etanol konsantrasyonlarını algılamak için duyarlı bir malzeme olarak kullanımı araştırılmıştır. Bu çalışmada kullanılan karbon kuantum noktaları (CQD'ler), solvotermal bir süreçle sentezlenmiş ve CNT'ler ile GNP'lerle entegre edilmiştir, böylece elde edilen kompozitin yapısı ve duyarlılık özellikleri üzerindeki sinerjistik etkiler incelenmiştir. Geçirimli elektron mikroskobu (TEM) görüntüleri, CNT'lerin ve GNP'lerin başarılı bir şekilde entegre olduğuna dair kanıtlar sunmuştur. CNT'lerin, GNP'lerle bağlantı kurarak, ağ benzeri üç boyutlu bir hibrit yapı oluşturduğu ve kompozitin spesifik yüzey alanını önemli ölçüde artırdığı gözlemlenmiştir. CQD'lerin tanıtılması, sıfır boyutlu pürüzlülüğü kompozit yapısına entegre ederek CQD'lerin hem CNT'lerin hem de GNP'lerin yüzeylerine bağlanması yoluyla nihai hibrit yapının üzerinde etkide bulunmuştur. Hibrit nanokompozit, 5 MHz kuvars kristal mikro denge (QCM) sensörün yüzeyine damlatma yöntemi ile yerleştirilen hassas bir film olarak hizmet etmiştir. Hibrit nanokompozit tabanlı sensör, önemli ölçüde artırılmış duyarlılık sergilemiştir. CQD-güçlendirilmiş CNT-GNP kompozit, 500 ppm konsantrasyonunda, sırasıyla CNT ve GNP kaplı sensörlere göre yaklaşık olarak 10 ve 15 kat daha yüksek tepki göstermiştir. CQD-güçlendirilmiş CNT-GNP kompozit sensörün tepki ve iyileşme süreleri sırasıyla yaklaşık 2 dakika ve 0,5 dakika olarak bulunmuştur. Sensör, makul tekrarlanabilirlik ve iyi iyileşme sergilemiştir. Algılama mekanizması, etanol moleküllerinin kompozit yüzeyindeki fonksiyonel gruplar ile etkileşimleri aracılığıyla adsorpsiyon ve desorpsiyon süreçlerine dayandırılmıştır. Yakıt endüstrisinin bir yan ürünü olan asfaltenler, maliyet etkin alternatif algılama malzemelerinin araştırılmasında dikkat çeken, potansiyel olarak değerli bir atık malzeme olarak öne çıkmaktadır. Tez çalışmasının üçüncü bölümü, asfaltenlerin gaz algılaması için uygun bir karbon bazlı malzeme olarak ilk kez kullanımını sunmaktadır. Farklı petrol kaynaklarından elde edilen asfalten molekülleri, kolayca çapraz bağlama reaksiyonlarına tabi tutularak nanoporöz karbon malzemeleri üretmek üzere işlemden geçirilmiştir; bu süreçte farklı katmanlardaki asfalten molekülleri, kovalent bağlar aracılığıyla birbirine bağlanmıştır. Bu çapraz bağlı asfaltenlerin karakterizasyon sonuçları, yüzey alanlarında önemli bir artış olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, tüm çapraz bağlı asfalten örnekleri, ana ham örneklerine göre daha yüksek oksijen-karbon oranları sergileyerek daha fazla oksijen bazlı fonksiyonel grup içerdiğini göstermiştir. Çeşitli asfalten örneklerinden elde edilen algılama filmlerine sahip QCM sensörleri, oda sıcaklığında farklı etanol konsantrasyonlarını algılamak üzere hazırlanmıştır. Tüm çapraz bağlı asfalten örnekleri, karşılaştırıldığında önemli bir algılama tepkisinde artış göstermiştir (%430'a kadar). Bu çapraz bağlı asfalten örneklerinin tepkisi, grafen oksitinden elde edilen tepki ile kıyaslanabilir düzeydeydi. Çapraz bağlı asfaltenlere dayalı sensör, iyi bir doğrusallık sergilemiş, yaklaşık 2.4 dakikalık bir tepki süresine, yaklaşık 8 dakikalık bir iyileşme süresine ve mükemmel tepki tekrarlanabilirliğine sahiptir. Otuz gün sonra, çapraz bağlı asfaltenlere dayalı sensörün tepkisinde yaklaşık %40'lık bir azalma gözlenmiş olup, bu durum uzun vadeli yaşlanmanın bir göstergesi olarak değerlendirilmiştir. Bu gerilemenin kısmen gözlemlenen şişmeye bağlı olduğu düşünülmektedir. Bu çalışma, asfaltenlerin daha derinlemesine araştırılmasının kapılarını aralamakta olup, algılama uygulamaları için umut vaat eden bir karbon bazlı malzeme olarak potansiyellerini vurgulamaktadır. Dördüncü bölümde, tez araştırması karbon malzemelerinin keşfedilmemiş bir formuna doğru önemli bir adım atmaktadır. Karbon nanomalzemeleri, sp2 ve sp3 hibridleşmiş karbonlardan oluşsa da, karbin olarak bilinen tek boyutlu (1D) sp karbon hala ulaşılamamış durumda ve bu yeni karbon formunun özellikleri tam olarak keşfedilmemiştir. Ancak, karbin'in eşsiz yapısı, önemli kimyasal, optik ve manyetik özelliklere sahip olma potansiyelini göstermektedir. Bu bölümde, bu karbin nano yapıların sentezi ve karakterizasyonu, özellikleri ve potansiyelleri daha iyi anlamak amacıyla incelenmektedir. Karbin sentezi, iki farklı süreçle gerçekleştirilmektedir: iyon destekli nabız-plazma biriktirme (IA-PPD) ve sıvı içinde lazer ablasyonu (LAL). LA-PPD örneği için yapılan Raman, X-ışını fotoelektron (XPS) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopik gözlemler, LA-PPD örneği üzerinden karbin'in başarılı bir şekilde sp karbon zincirleri sentezlendiğini göstermektedir. Ancak, bu zincirler elde edilen nanofilmde düşük konsantrasyonda mevcut olup, yanı sıra yüksek konsantrasyonda sp2 ve sp3 karbon bulunmaktadır. Öte yandan, LAL örneğinin karakterizasyon sonuçları, Raman spektrum ölçümleri tarafından doğrulanan daha yüksek karbin içeriği ile birlikte gelen X-Işını Difraktometresi (XRD) sonuçlarından yüksek kristallilik göstermektedir. Sentezlenen karbin'in sensör malzemesi olarak pratik uygulaması, QCM sensörlerinde çeşitli gazları oda sıcaklığında tespit etmek amacıyla incelenmektedir. LAL karbin, gaz deneylerinde IA-PPD karbin'e göre daha yüksek duyarlılık göstermektedir. Çeşitli analiteleri tespit etme konusunda LAL karbin, amonyak gazına karşı daha büyük seçicilik göstermektedir. Sensör, 4.7 dakikalık ortalama tepki süresi ile yaklaşık 9.3 dakikada tam iyileşme göstermektedir. Ancak, diğer mevcut karbon malzemeleri ile karşılaştırıldığında, karbin'in duyarlılığının göreceli olarak düşük olduğu ortaya çıkmaktadır, bu da karbin sentezi ve sensörlerinin optimize edilmesi için daha fazla araştırma ihtiyacını ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

Environmental pollution has emerged as a critical dilemma due to the rapid escalation of industrial activities on a global scale. Toxic gas emissions stand out as a primary contributor to numerous climate issues, such as global warming and acid rain, posing a threat to both the environment and public health in the short and long term. The precise detection of such pollutants holds immense significance across various sectors, including environmental management, defense, healthcare, and industry. Substantial research efforts have been dedicated to advancing high-performance gas sensors that can accurately detect low gas concentrations while exhibiting robust sensing characteristics and durability Carbon nanomaterials have gained significant attention for numerous applications. Their outstanding physical and chemical properties. Extensive research has been conducted to assess the potential of various carbon-based nanomaterials, such as fullerenes, carbon onions, carbon quantum dots, nanodiamonds, carbon nanotubes, and graphene, as gas sensing materials. This thesis aims to explore the potential of novel carbon materials and their implementation in gas sensing applications. The thesis consists of five chapters and is organized as follows: The first chapter comprises a published comprehensive review of the literature discussing recent progress in the utilization of carbon nanomaterials and their composites in gas sensing devices. The chapter introduces the sensing mechanism, design, and preparation techniques of such sensors. It also discusses the modification of carbon-based nanostructures with other nanomaterials and their effects on sensing performance. The second, third, and fourth chapters consist of published and in-press articles presenting the research findings obtained in the thesis research. The research reported in these three chapters and the related findings are summarized in the following paragraphs. The final chapter provides a complementary conclusion, addresses existing challenges, and offers inspiring recommendations for future research. In the second chapter, the synthesis of a novel composite involving quantum dots enhanced carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoplates (GNPs) is reported, along with its application as a sensing material for detecting various concentrations of ethanol at room temperature. Carbon quantum dots (CQDs) employed in this study were synthesized via a solvothermal process and integrated with CNTs and GNPs to investigate their synergistic effects on the structure of the resulting composite and its sensing properties. Transmission electron microscopy (TEM) images provided evidence of the successful integration between CNTs and GNPs. CNTs were observed to interconnect with GNPs, forming a web-like three-dimensional hybrid structure that significantly enhanced the specific surface area (SSA) of the composite. The introduction of CQDs influenced the final hybrid structure by introducing zero-dimensional roughness, achieved through the attachment of CQDs to the surfaces of both CNTs and GNPs. The hybrid composite served as a sensitive film deposited onto the surface of a 5 MHz quartz crystal microbalance (QCM) sensor through drop-casting. The hybrid nanocomposite-based sensor exhibited significantly enhanced sensing sensitivity. At a concentration of 500 ppm, the CQD-enhanced CNT-GNP composite showed approximately 10- and 15-fold higher responses compared to CNT- and GNP-coated sensors, respectively. The response and recovery times of the CQD-enhanced CNT-GNP composite sensor were found to be approximately 2 minutes and 0.5 minutes, respectively. The sensor demonstrated reasonable repeatability and good recovery. The sensing mechanism was attributed to the adsorption and desorption processes via interactions between ethanol molecules and the composite surface functional groups. In the pursuit of cost-efficient alternative sensing materials, asphaltenes, a byproduct of the petroleum industry, have garnered attention as a potentially valuable waste material. The third chapter of the dissertation presents the initial utilization of asphaltenes as an affordable carbon-based material for gas sensing. Asphaltenes, derived from various oil sources, underwent facile cross-linking reactions to produce nanoporous carbon materials, where asphaltene molecules from different layers are interconnected via covalent bonds. Characterization results of these cross-linked asphaltenes revealed a substantial enhancement in their SSA and surface functionality. QCM sensors with sensing films derived from various asphaltene samples were prepared to detect different ethanol concentrations at room temperature. All cross-linked asphaltene samples exhibited a significant enhancement in the sensing response (up to 430%) compared to their respective raw parent samples. This response of the cross-linked asphaltene samples was comparable to that obtained from graphene oxide. The sensor based on cross-linked asphaltenes demonstrated good linearity, with a response time of approximately 2.4 minutes, a recovery time of around 8 minutes, and excellent response repeatability. After 30 days, the sensor based on cross-linked asphaltenes showed an approximate 40% reduction in its response, suggesting long-term aging. This decline is partially attributed to the observed swelling. This study opens the door to a deeper exploration of asphaltenes and highlights their potential as a promising carbon-based material for sensing applications. In the fourth chapter, the thesis research went far to an interesting unexplored form of carbon materials. Despite all carbon nanomaterials being composed of sp2 and sp3 hybridized carbons, the one-dimensional (1D) sp carbon, known as Carbyne, remains elusive, and the properties of this novel carbon form have not been fully discovered yet. However, the unique structure of carbyne suggests its potential possession of significant chemical, optical, and magnetic properties. In this chapter of the study, the synthesis and characterization of these carbyne nanostructures were investigated to gain a better understanding of their unique properties and potentials. Carbyne synthesis was achieved through two different processes: ion-assisted pulse-plasma deposition (IA-PPD) and laser ablation in liquid (LAL). Raman, XPS, and FTIR observations for the LA-PPD sample indicated the successful synthesis of sp carbon chains of carbyne. However, these chains existed at low concentrations in the obtained nanofilms, alongside a high concentration of sp2 and sp3 carbon. On the other hand, characterization results of the LAL sample showed higher carbyne content, as confirmed by Raman spectra measurements, along with high crystallinity observed from XRD results. The practical application of the synthesized carbyne as sensing materials was investigated on QCM sensors to detect various pollutants at room temperature. The LAL carbyne also exhibited higher sensitivity in gas experiments compared to IA-PPD carbyne. In detecting various analytes, LAL carbyne showed greater selectivity for ammonia gas. The sensor exhibited a moderate response time of 4.7 minutes with full recovery in approximately 9.3 minutes. However, compared to other available carbon materials, the sensitivity of carbyne was found to be relatively low, revealing the need for further research to optimize carbyne synthesis and the fabrication of its sensors.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    903778

    Carbon based electromagnetic interference shielding material designs and implementation at microwave frequencies

    Mı̇krodalga frekanslarında karbon bazlı elektromanyetı̇k gı̇rı̇şı̇m kalkanlama malzemeleri tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    ZEYNEP ERTEKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYaşar Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SEÇMEN

  2. Tez No

    321444

    İyonik sıvı - CO2 tutan organik sıvı hibrit çözücü sistemlerinin karbon dioksit absorplama performansının incelenmesi

    The investigation of carbon dioxide absorption performance of ionic liquid - CO2 binding organic liquid hybrid solvent systems

    BARAN ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Kimya MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERDOĞAN ALPER

  3. Tez No

    695045

    Development of construction demolition waste-based geopolymeric composites suitable for three-dimensional additive manufacturing

    İnşaat yıkıntı atıkları kullanılarak üç boyutlu eklemeli imalata uygun jeopolimer bağlayıcılı kompozitlerin geliştirilmesi

    OĞUZHAN ŞAHİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN

  4. Tez No

    686683

    Development of highly efficient platinum nanocatalysts for the dehydrogenation of ammonia borane via rational design of graphitic carbon nitride-based heterojunction photocatalysts

    Grafitik karbon nitrür temelli heteroeklem fotokatalizör tasarımları ile amonyak boranın dehidrojenlenmesinde etkinliği yüksek platin nanokatalizörlerinin geliştirilmesi

    MERVE AKSOY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    EnerjiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖNDER METİN

  5. Tez No

    556924

    Genleştirilmiş polistiren (EPS) köpüğün geoteknikte kullanılması

    Use of expanded polystyrene (EPS) foam in geotechnical engineering

    HULUSİ HAKAN KİRİŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İSMAİL HAKKI AKSOY

Geri Dön